muros pantalla - Fernando Muzás Labad

CEDEX
Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas
MASTER EN
MECÁNICA DEL SUELO E
INGENIERÍA DE CIMENTACIONES
MUROS PANTALLA
Fernando MUZÁS LABAD
MADRID 2003
NOTA PREVIA
La exposición del tema se hace tomando como base el Capítulo 12
"Pantallas de hormigón", de la obra dirigida y coordinada por el
Profesor D. J. A. Jiménez Salas, Geotecnia y Cimientos III, segunda
parte, publicada en 1980. Este capítulo fue redactado en esa época
por F. Muzás Labad, ampliando ahora algunos conceptos que, en ese
momento, se recogieron de forma resumida por exigencias del espacio
disponible. En esta obra se recoge la bibliografía complementaria
sobre pantallas.
Conviene, además, hacer referencia a la Norma Tecnológica NTECCP, Cimentaciones, Contenciones, Pantallas, elaborada en los años
1971 y 1972 por el Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo, por un
equipo de trabajo dirigido por F. Muzás. Esta Norma consta de 5
apartados dedicados a Diseño, Cálculo, Construcción, Control y
Mantenimiento.
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(CEDEX Madrid 2003)
Muros Pantalla.(Fernando Muzás Labad)
1.
AMPLIACIÓN DE LA INTRODUCCIÓN
Históricamente las pantallas surgen como una mejor solución técnica a las estructuras
de contención construidas antes de efectuar el vaciado de una excavación y que, hasta
entonces, se venían haciendo mediante pantallas de pilotes, las cuales se construían, en
función de las características particulares del terreno, según la siguiente disposición:
1. Pantalla discontinua de pilotes
2. Pantalla de pilotes tangentes
3. Pantalla de pilotes secantes
La particularidad del último caso consiste en que primero se hacen unos pilotes sin
armadura, a distancia inferior a su diámetro, y luego los pilotes intermedios cuando el
hormigón de los laterales todavía está fresco. Estos últimos pilotes son los que deben ir
convenientemente armados.
Antecedentes: Pantalla de Pilotes
Pilotes separados
Pilotes tangentes
Pilotes secantes
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2.
AMPLIACIÓN SOBRE LA EJECUCIÓN DE PANTALLAS
En el capítulo del libro se describen las principales fases de trabajo, pero conviene
resumir la totalidad de las fases de ejecución tal como se indica a continuación:
1.
2.
Operaciones previas
1.1.
Preparación de la plataforma de trabajo
1.2.
Eliminación o modificación de elementos enterrados
1.3.
Desviación de conducciones aéreas
1.4.
Disposición de apuntalamientos o recalces necesarios
1.5.
Replanteo
Ejecución de la pantalla
2.1.
Ejecución de los muretes guía
2.2.
Replanteo de los paneles
2.3.
Perforación de las zanjas, con empleo eventual de lodos
2.4.
Limpieza del fondo, comprobación del contenido de arena de los
lodos y regeneración de los mismos si es necesario
3.
2.5.
Colocación de los elementos para moldear las juntas
2.6.
Colocación de armaduras
2.7.
Hormigonado del panel y control del proceso
2.8.
Extracción de los elementos de las juntas
2.9.
Demolición de la cabeza de los paneles
2.10.
Ejecución de la viga de atado de los paneles
Vaciado y disposición de apoyos
3.1.
Excavación según las fases previstas
3.2.
Disposición
progresiva
de
los
elementos
provisionales
definitivos de apoyo
3.3.
Intervalos necesarios de espera entre fases
3.4.
Construcción de los elementos definitivos de apoyo restantes
3.5.
Eliminación de los apoyos provisionales
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o
3.6.
Control durante el proceso del nivel freático, dentro y fuera del
recinto, si es necesario
3.7.
Control del comportamiento de la pantalla y su posible
repercusión en el entorno
Entre los trabajos relacionados con las operaciones previas debe señalarse la
conveniencia de reconocer las edificaciones próximas, tomando fotografías de las
mismas e incluso levantando acta notarial de su situación.
Para detectar la existencia de conducciones enterradas, es frecuente realizar zanjas
perimetrales ya que en ocasiones existen conducciones que atraviesan el solar.
Conviene señalar la doble misión de los muretes guía (guiado del útil de perforación y
contención superior del terreno) y, en consecuencia, no olvidar la conveniencia de que
estén debidamente apuntalados, mucho más hoy día en que es frecuente realizar una
zanja y hormigonar al mismo tiempo los dos muretes, con encofrados metálicos.
Es conveniente ser generoso al dimensionar la profundidad de los muretes y llegar a
valores del orden de 0,80 m, o más si hay que atravesar zonas de relleno, para evitar
problemas posteriores durante el hormigonado. Las armaduras tienen como finalidad
hacer frente a posibles empujes en sentido horizontal.
Cuando existe nivel freático el lodo debe estar del orden de 1,5 m por encima del mismo
para que exista una diferencia entre las presiones del lodo y las presiones del agua que
permita la filtración del primero hacia el terreno y la existencia de una diferencia en
profundidad, capaz de mantener estables las paredes de la perforación. Debe
recordarse también que si hay agua el lodo no es capaz de mantener estables las
paredes de una zanja muy alargada y que si mantiene las paredes de un panel es
porque se producen unos efectos silo en sentido horizontal y vertical.
La perforación de los paneles se hace siempre unos 20 cm superior a la de la
teóricamente necesaria para que las armaduras no lleguen al fondo, ya que éste no es
plano sino que es el resultado de las características de los útiles de perforación. Aunque
en el libro aparece un proceso de ejecución progresiva de paneles efectuando primero la
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serie impar y luego los paneles intermedios, hoy se tiende a perforar los paneles de
manera continua, aunque espaciada en el tiempo, pues ha habido ocasiones en que no
entraba en algún panel de la serie par, la armadura previamente elaborada.
Los elementos para moldear las juntas que mejor funcionan son los cilíndricos de igual
anchura que la pantalla, siempre que las cucharas de perforación tengan bordes
circulares que se adapten a la huella dejada por dichos tubos cuando se retiran. En la
colocación de estos elementos es importante que queden bien situados en dirección
vertical ya que la excavación de los paneles contiguos puede plantear problemas de
limpieza de la junta y de impermeabilidad. Para ello en alguna ocasión se ha
recomendado instalar tubos que sobresalieran 1,5 o 2,0 m sobre la plataforma de
trabajo.
La inspección del lodo antes de proceder a la colocación de armaduras y al hormigonado
tiene por objeto evitar que durante todas estas operaciones se pueda producir en el
fondo la sedimentación de un importante espesor de detritus. El valor del contenido
máximo de arena que habitualmente se utiliza puede modificarse si, en cada caso
particular, se estudia en laboratorio la capacidad de retención que tiene el lodo utilizado.
El límite de la viscosidad fijado en 45 segundos Marsh se fija para facilitar las
operaciones de hormigonado, por el sistema de tubería y tolva.
En las jaulas de armaduras las barras horizontales (cuya misión es de montaje y no para
absorber esfuerzos cortantes) se colocaban al principio por el interior de las jaulas para
facilitar la circulación del hormigón, pero requieren una buena fijación. Hoy es frecuente
colocar estas armaduras por el exterior, por facilidad de montaje.
Las características que se especifican para el hormigón tienen por objeto asegurar la
buena puesta en obra del mismo, el cual que debe circular por la tubería hacia abajo y
ascender por la excavación del panel, desplazando el lodo de perforación. El exceso de
agua queda en parte compensado por la dosificación de cemento, pero si se quiere más
resistencia del hormigón es necesario utilizar algún plastificante que permita reducir la
relación agua/cemento. En paneles profundos si hay que subir el tubo de hormigonado,
por no poder realizar la operación de una vez, debe comprobarse previamente el nivel
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del hormigón dentro de la zanja haciendo descender una cadena lastrada.
Conviene indicar que la viga de atado debe trabajar en principio a flexión horizontal ya
que la deformación general de las pantallas se realiza hacia el interior de la excavación,
siendo mayor en el centro de las alineaciones que en las esquinas. Hay que cuidar
especialmente los puntos angulosos hacia el interior ya que la pantalla tiende a
desplazarse según la bisectriz y normalmente provoca en la viga de atado esfuerzos de
tracción e incluso de flexión en sentido vertical al descender el vértice del punto
anguloso.
Pantalla prefabricada
Esquema
Colocación del panel
La tecnología de las pantallas prefabricadas que se inició utilizando para la perforación
lodos autoendurecibles constituidos por una suspensión de bentonita y cemento en
agua, ha variado en el sentido de que es frecuente perforar con el tradicional lodo de
bentonita y una vez instalado el panel proceder a la sustitución de lodo por el de
bentonita cemento cuya misión es rellenar los huecos existentes entre los paneles y el
terreno. Estos lodos, pueden tener dosificaciones del orden de 50 kg. de bentonita y
150 kg. de cemento por metro cúbico de agua y alcanzar resistencias superiores a los
10 kg/cm2.
Se han hecho también pantallas prefabricadas mixtas, rellenando con hormigón la zona
del panel que va a quedar por debajo del fondo del vaciado y empotrando en él los
paneles prefabricados.
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3.
AMPLIACIÓN SOBRE LA EXCAVACIÓN DEL RECINTO
Llamaremos la atención sobre la necesidad de estudiar el dimensionamiento de las
banquetas ya que son unos elementos que no resisten los mismos empujes pasivos
que el terreno sin excavar.
Las tornapuntas son apeos en general muy útiles y económicos en los ángulos del
recinto de las pantallas.
Los anclajes como arriostramiento provisional invaden las propiedades colindantes y
requieren permiso de ejecución así como el destensado posterior e incluso su
eliminación. La utilización de anclajes en puntos angulosos hacia el interior del recinto
exige un cuidadoso estudio de disposición para evitar interferencias entre anclajes.
El método descendente y ascendente necesita la construcción de pilotes de gran
diámetro para hacer frente a posibles desviaciones y garantizar la buena colocación
del pilar que generalmente se hace metálico. Hay que estudiar el enlace de éste con la
armadura del pilote para que no punzone el hormigón zunchando bien la cabeza del
pilote. La colocación del pilar requiere disponer de los adecuados medios de control
para garantizar la verticalidad y el centrado del pilar. En este método el vaciado se
acomete normalmente de dos en dos sótanos con objeto de poder utilizar maquinaria
de excavación de mayor capacidad.
Conviene llamar la atención, finalmente, sobre los detalles que deben preverse
durante el proyecto para el enlace con la pantalla de los forjados y vigas de la
estructura del edificio. En ocasiones se dejan previstas unas armaduras especiales en
las jaulas de la pantalla que, posteriormente, se desdoblan previo picado del hormigón
de recubrimiento. Debe tenerse la precaución de referir estas armaduras a la zona del
trasdós de la pantalla para que trabajen adecuadamente.
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4.
SOBRE EL PROYECTO Y LA EJECUCIÓN DE OBRAS DE
PANTALLA
En la fase de proyecto el cálculo de la pantalla, con independencia del método que se
vaya a utilizar, plantea el problema de cómo tener en cuenta las presiones del agua.
Debe tenerse en cuenta que, en función de la permeabilidad del terreno, normalmente la
pantalla se lleva hasta una capa suficientemente impermeable si está próxima al pie de
la pantalla que da el cálculo. En este caso es claro que los empujes son los estáticos
tanto por el trasdós como por el intradós con el nivel en este caso correspondiente al
fondo de la excavación.
Cuando no existe cerca de la base de la pantalla un nivel suficientemente impermeable
en el que se pueda empotrar la misma, la ejecución del vaciado sólo es posible si el
terreno es poco permeable, en cuyo caso puede tardar bastante tiempo en llegar a un
régimen permanente de filtración, definido por la red de corriente. Pretender aplicar las
presiones del agua que se deducen de dicha red de filtración es una operación ardua
pues se desconoce la profundidad que va a tener la pantalla. En esta situación las
presiones en el trasdós disminuyen mientras que las del intradós aumentan con relación
a las presiones estáticas, lo cual es un efecto beneficioso. A ello habría que añadir el
efecto desfavorable de que las presiones efectivas del lado pasivo disminuyen como
consecuencia de la circulación ascendente del agua. Pues bien, después de efectuar
algunas comprobaciones de estos extremos, puede afirmarse que el cálculo
considerando presiones estáticas del agua está del lado de la seguridad.
Los peores problemas que plantea el agua corresponden al caso en el que, por debajo
del fondo de excavación existe un nivel bastante permeable con nivel freático alto ya que
entonces la filtración se hace desde este nivel hacia arriba, pudiendo provocar la rotura
del fondo.
Respecto a la figura que ilustra la comprobación de la estabilidad del conjunto por el
método de Kranz, y que sirve para determinar la longitud de los anclajes, se contemplan
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dos filas de anclaje, cuyo coeficiente de seguridad debería ser en principio el mismo. El
equilibrio se establece en este caso en dos rebanadas la primera más alejada de la
pantalla y definida por dos secciones verticales que pasan por el punto medio de los dos
bulbos de anclaje. La segunda está definida por la sección vertical que pasa por el
centro del bulbo inferior y el intradós de la pantalla.
Pantalla anclada.
Estabilidad del
conjunto
Método de Kranz
Al establecer el equilibrio actúan como fuerzas conocidas, los empujes a un lado y otro
de cada rebanada y el peso de la misma, conociendo en la base la fuerza debida a la
cohesión (si existe) y únicamente la dirección de la reacción. El valor de las fuerzas F1 y
F2 que cierran cada uno de los polígonos de fuerzas, con origen en O1 y O2 representan
la fuerza máxima con la que cada anclaje podría tirar de la correspondiente rebanada. La
relación entre las fuerzas con las que se puede tirar y las realmente aplicada por los
anclajes T1 y T2, definen en cada caso el coeficiente de seguridad.
Puede comprobarse que la manera de aumentar el coeficiente de seguridad consiste
precisamente en aumentar la longitud libre de lo anclajes ya que la base de cada
rebanada se hace más horizontal y en consecuencia la dirección de la reacción del
terreno se modifica aumentando así el valor de las fuerzas F1 y F2.
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5.
OTRAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS
Como complemento de todo lo expuesto se indican a continuación dos tipos de obra
relacionados con la tecnología de pantallas, que conviene conocer por su utilidad en
aplicaciones prácticas. Estos dos tipos de obra son la construcción de pantallas
plásticas de impermeabilización y la construcción de pantallas drenantes.
En primer lugar señalaremos que la puesta a punto de lodos autoendurecibles, ha
permitido la aplicación de la tecnología de pantallas para la construcción de paredes de
impermeabilización, no hormigonadas, tanto rodeando el perímetro de recintos de
excavación, como regenerando núcleos de presas de tierra deteriorados. El muro
resultante tiene baja resistencia y relativa deformabilidad por lo que se denominaron
desde el principio como pantallas plásticas.
Las propiedades del lodo dependen de la dosificación de bentonita y de cemento. La
resistencia es función de la relación cemento/agua y de la pareja de materiales que se
utilicen. En general se obtienen mayores resistencias con cementos de alto-horno o
puzolánico que con cemento portland. Es importante la dosificación de bentonita
debiendo fijar la relación bentonita/agua de manera que se elimine al máximo el agua
libre ya que, de no hacerlo así luego, durante el proceso de fraguado, acaba estando
todo el volumen de agua sobrante en superficie.
Pantallas de impermeabilización
Composición del lodo autoendurecible
Mezclas de bentonita (B), cemento (C) y agua (A)
Características
La resistencia depende de C/A y de la pareja B-C
R28 (kgcm2) ~ 60 (C/A)3
La estabilidad depende de la relación B/A que debe
eliminar el agua libre B/A = 0,04 a 0,10
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La otra aplicación de la técnica de pantallas consiste en la posibilidad de construir
pantallas drenantes, sustituyendo el hormigón por áridos envueltos en geotextiles hasta
crear verdaderas paredes drenantes. La construcción requiere como complemento la
construcción de los adecuados elementos de evacuación del agua, situados en el fondo
y construidos con maquinaria especial, y el lavado de los áridos contaminados por los
lodos de bentonita.
Finalmente conviene citar que aunque hoy día la maquinaria de perforación de las
pantallas ha evolucionado notablemente, no siempre es posible ejecutarlas en función
de las características del terreno. Para estos casos, se desarrolló una técnica que puede
denominarse como construcción de muros anclados por paneles y que consiste en la
ejecución en fases descendentes de filas de paneles, debidamente anclados, al abrigo
de los cuales se puede continuar la excavación para disponer otra fila de paneles y así
sucesivamente hasta llegar a la profundidad requerida.
Esta técnica requiere que el terreno tenga cierta cohesión de manera que pueda
efectuarse la excavación sin problemas de estabilidad para las distintas filas de paneles,
aunque también puede procederse de manera intermitente, actuando por bataches. El
dimensionamiento de los anclajes de cada fila de paneles debe hacerse de tal manera
que quede asegurada la estabilidad de la excavación para la fila siguiente.
Muros anclados
F.-1
F.-2
F.-3
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Respecto a la longitud que conviene dar a los anclajes, aunque en alguna publicación
existente se indica la posibilidad de que ésta puede ir creciendo con la profundidad, para
crear una especie de muro de gravedad de mayor anchura en la base, estimamos que la
longitud de cada fila debe ser la que proceda para la conseguir la estabilidad en la
situación final, ya que en otro caso hay que aumentar la capacidad resistente de cada
fila de anclajes si no se puede contar con la colaboración de los que quedan situados
por encima de ellos. La técnica puede completarse con un sistema que permita enlazar
las armaduras de los paneles con los que quedan por debajo y con los adecuados
elementos de drenaje.
BIBLIOGRAFÍA
-
JIMÉNEZ SALAS, J.A. y MUZÁS, F.: Geotecnia y Cimientos III, Cap. 12
Pantallas de hormigón. Editorial Rueda, 1980.
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